四连杆抽油机传动机构的运动学及动力学分析
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第 １ 期 １
． ． 力
四连杆抽油机传动机构 的运动学及动力学分析
杨侠 。 ，郭钊 ，张 向明 ，岳曲
（． １ 武汉工程 大学机 电工程 学院 ， 湖北 武汉 ４ ０ ７ ） ３０３ （ ． 明侠机 电设备有限公司 ， 湖北 武汉４ ０ ７ ） ２武汉 ３ ０ ４
［ 摘 要］ 抽油机是 油田开采 中用量最 大的耗 能设备 。本文通 过对新 型的四连杆抽油机传动机构 的解析，以牛顿力学为基 础 ，建立 了机构运动 学、动力学方程 ，并在此基础 上 ，对该传动机构 进行 实例验证 ，结 果表 明，该机构 能大大降低运 动能 耗 ，达到 节能的 目的。 ［ 词］四连杆抽油机；传动机构 ；运动 学；动 力学；节能 关键
伐 （ ７ ）
‘ ０ １ 麓 Ｉ‘ ｉ ０ ｃ３ 。 ） ｃ ＋０ ｌ １（ 厶 ＝ ４】 ３ 曲＋ ｏ口 ｓ ㈤
ｌ ｉ０ ３ｎ ｓ ｃ 。 ０ ｓ －，ｉ ｔｓ ０ ｎ
又可求得各构件的角加速度ｃ 、伐 、０ 、 。 ｘ ｃ ，
１ ． ２动力 学分 析 由于在 四根 杆 中，Ａ 杆受 载较 大 ，且ＡＦ Ｆ 杆为
在 油 田开 采 中 ，抽 油 机 使 用 量 大 ，市 场 前 景 广 阔 。但 抽 油 机 是 油 田最 大 的 耗 能 设备 ， 能源 浪 费 问题 严 重 。现 用 新 型抽 油 机 大 多 仅仅 通 过优 化 四连 杆机 构 的 参 数 ， 效 率提 高 幅度 不大 。 通 过 改 变 结 构 ，设 计 新 型 抽 油机 来 提 高 其 效 率 ， 达 到 节 能 目的具 有 远 大 发 展 前 景 ［。本 文 以新 型 节 能 四 １ 】 连 杆抽 油 机 （ 利 号 ：Ｚ ２ ０ ２ １ １ ４ ．）的传 专 Ｌ ０ ８ ０ ９ ３ ２６ 动 机 构 为 研 究 对 象 ， 旨在 为 该 机 构 的进 一 步 研 究 提 供 基 础 。该 四连 杆 变 形 比例 机 构 是 新 型 节 能 抽 油 机 的核 心 部 件 ，文 中通 过 对 该 四连 杆 变 形 比例 机 构 的解 析 ， 以牛 顿 力 学 为 基 础 ，建 立 机 构 运 动 学 、动 力 学 方 程 ，并 在 此 基 础 上 ，对 该 传 动 机 构 进 行 实 例 验 证 ，充 分 肯 定 了该 机 构 原 理 正 确 ，体 现 了其 自身 的节 能优 势 ，研 究 该 种 新 型 节 能 抽 油 机 的传 动机 构 ，有重 大 的现 实意 义 。
｛
一
（） ５ ‘ 。
（ ６） ‘ 。
， ４ｏ０ｏ ∞ ｓ￣ ｒ／ ｃ ‘ ｉＯＯ一 ／ ｉ ３ ｓ ｌｌ ４ ｎ ｎｔ Ｏ ｓ
．
便可 求 得各 构 件 的角速 度 ６ ０ ｃ： ｃ， 、 ｏ 、 ． 、 ｏ
（）４。 １
杆 件 的位 置 关 系 如 图 １ 示 。 建 立 直 角 坐 标 所 系 ，分 析Ｂ、Ｄ 置 关系 可得 出如 下方 程 组 。 位
｛ Ｏ ｌ＋Ｙ ｉ Ｙ ４＋ Ｙ ∞＋ ｒ十 ｓ＋：ｃ ｃ ＝ｎ ｓ０ ０Ｘ ， ｃｎ ２ ：ｏ ｃｉ ‘ ＝ｓ ０
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ｔ 。＝｝ｓｎ ｙ ｙ ｌｉ Ｏ ＝！ｓｎ ３÷ Ｙ ｔｉ０ ｙ
。
图３ 悬点运动分析图
如 图３ 首先 对 Ｅ 进行 几 何 分 析 ， 由四连 杆 变 点 形 比例 得 ￣ Ｅ点行 程 为 ｌ Ｉ ： Ｉ ｍ， 虽然 上 下 死 点并 非 完
，
全 对 称 ，但 是上 下 行 程 的 上 下 限 位 点 并 非上 下 死 点 ， 以Ｃ点为 参考 点 ，建 立坐标 轴 ，如 图所 示 ，取 Ｅ点上 下 行程 为０５ ． ｍ，设Ｅ点运 动速 度 曲线 为余 弦 运动 ，同 时 以上 下 行程 的 中点 为起 点 ， 即令 Ｅ 点在 图中Ｇ点处 时 ，ｔ０ 向上运 动 ，速度ｖ ＝， 为正 。
（ 、 １ ）
（ ２）
…
由 （ ） 、 （ ）两式化 简 整理得 ： １ ２
ｆ一 ０ｅ ＝‘ 。ｅ ～５ ｃ ； ｃ ，
１ｓ ０ ： ｓ Ｏ ＋ ２ｉ ２： ｉ ４ Ｙ ｎ ‘ｎ
（ ３）
｛／ ｏ０ 一 ０ｅ ３ ｓ Ｉ ‘ｃｓ ｃ ｆ ｉ０ ＝ ｉ０ ＋ Ｅ １ ｎ ｌ ‘ｓ Ｙ ｓ ｎ３
作 者 简介 ：杨侠 （９ ８ ），男， １７一 博士，副教授 ， 硕士生导
图ｌ 运动分析 图
师 ，主要从事石油机械 、化工机械 、传热传 质方 向研究。
１ ． ■ 论文广场 ２
．
２ 第１ 备 石１ 化 设 ０１ 工 油年 和
４ 卷
拉杆 ， 由材 料 力 学 可 知 ， 杆件 一般 受 压 不 受 拉 ， 因此 四根 杆 中 ，作 为拉 杆 的ＡＦ 更容 易 损坏 ，对 Ａ Ｆ 杆 进行 受 力 分析 ，是极 其 重要 的 。如 图２ 示 ，对 所 其 杆 件进 行 力 矩 平衡 分 析 ， 由于 Ａ 杆 件 是拉 杆 ， Ｆ 主 要 承 受 弯 矩 作 用 ，因此 分 析 时主 要 考 虑 其 所 受 弯 矩最 大 时刻及其 受弯 矩 的最大 点 ：
１１３加 速 度 分 析 ．．
再对 （ ） 、 （ ） 中各 式分 别两边 求 导 ： ５ ６
ｆｏ “ 一 ？。 。 ２ Ｊ ｃ
∞
－
ｓ０ ｌｏ ２ ＝ ／ｎ ＋ｃ ０ ４ｃ ｜ ２ ２ ｓ０ －ｓ０ Ｉ ｓ（＋ ｎ ∞ ０ｃ ｌ ４ ｔ ｃ ２ ｉ ｏ ｘ
’
（ ４）
并根 据 图中 几何 、角 度 关系 求得 各 角 度 ０ 、
０２ 、 源自文库 ３ ０４ 、 。
１１ 速 度 分析 ．． ２
对 （ ）、 （ ）中各式分 别两 边求 导 ： ３ ４
１ 建立连 杆机构 的数学模型
１１ ． 运动 学 分析
１１１ 置分析 ． 位 ．
｛ ０ｚ—‘曲０ ｆｓｏ ‘ ｉ０ 】 ，ｎ ２２ ０ ２ ｃ ｓ ４ １ｅ ｃ 咄 ｃ ｎ ４ ｏ ｓ ｉ
． ． 力
四连杆抽油机传动机构 的运动学及动力学分析
杨侠 。 ，郭钊 ，张 向明 ，岳曲
（． １ 武汉工程 大学机 电工程 学院 ， 湖北 武汉 ４ ０ ７ ） ３０３ （ ． 明侠机 电设备有限公司 ， 湖北 武汉４ ０ ７ ） ２武汉 ３ ０ ４
［ 摘 要］ 抽油机是 油田开采 中用量最 大的耗 能设备 。本文通 过对新 型的四连杆抽油机传动机构 的解析，以牛顿力学为基 础 ，建立 了机构运动 学、动力学方程 ，并在此基础 上 ，对该传动机构 进行 实例验证 ，结 果表 明，该机构 能大大降低运 动能 耗 ，达到 节能的 目的。 ［ 词］四连杆抽油机；传动机构 ；运动 学；动 力学；节能 关键
伐 （ ７ ）
‘ ０ １ 麓 Ｉ‘ ｉ ０ ｃ３ 。 ） ｃ ＋０ ｌ １（ 厶 ＝ ４】 ３ 曲＋ ｏ口 ｓ ㈤
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又可求得各构件的角加速度ｃ 、伐 、０ 、 。 ｘ ｃ ，
１ ． ２动力 学分 析 由于在 四根 杆 中，Ａ 杆受 载较 大 ，且ＡＦ Ｆ 杆为
在 油 田开 采 中 ，抽 油 机 使 用 量 大 ，市 场 前 景 广 阔 。但 抽 油 机 是 油 田最 大 的 耗 能 设备 ， 能源 浪 费 问题 严 重 。现 用 新 型抽 油 机 大 多 仅仅 通 过优 化 四连 杆机 构 的 参 数 ， 效 率提 高 幅度 不大 。 通 过 改 变 结 构 ，设 计 新 型 抽 油机 来 提 高 其 效 率 ， 达 到 节 能 目的具 有 远 大 发 展 前 景 ［。本 文 以新 型 节 能 四 １ 】 连 杆抽 油 机 （ 利 号 ：Ｚ ２ ０ ２ １ １ ４ ．）的传 专 Ｌ ０ ８ ０ ９ ３ ２６ 动 机 构 为 研 究 对 象 ， 旨在 为 该 机 构 的进 一 步 研 究 提 供 基 础 。该 四连 杆 变 形 比例 机 构 是 新 型 节 能 抽 油 机 的核 心 部 件 ，文 中通 过 对 该 四连 杆 变 形 比例 机 构 的解 析 ， 以牛 顿 力 学 为 基 础 ，建 立 机 构 运 动 学 、动 力 学 方 程 ，并 在 此 基 础 上 ，对 该 传 动 机 构 进 行 实 例 验 证 ，充 分 肯 定 了该 机 构 原 理 正 确 ，体 现 了其 自身 的节 能优 势 ，研 究 该 种 新 型 节 能 抽 油 机 的传 动机 构 ，有重 大 的现 实意 义 。
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， ４ｏ０ｏ ∞ ｓ￣ ｒ／ ｃ ‘ ｉＯＯ一 ／ ｉ ３ ｓ ｌｌ ４ ｎ ｎｔ Ｏ ｓ
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杆 件 的位 置 关 系 如 图 １ 示 。 建 立 直 角 坐 标 所 系 ，分 析Ｂ、Ｄ 置 关系 可得 出如 下方 程 组 。 位
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图３ 悬点运动分析图
如 图３ 首先 对 Ｅ 进行 几 何 分 析 ， 由四连 杆 变 点 形 比例 得 ￣ Ｅ点行 程 为 ｌ Ｉ ： Ｉ ｍ， 虽然 上 下 死 点并 非 完
，
全 对 称 ，但 是上 下 行 程 的 上 下 限 位 点 并 非上 下 死 点 ， 以Ｃ点为 参考 点 ，建 立坐标 轴 ，如 图所 示 ，取 Ｅ点上 下 行程 为０５ ． ｍ，设Ｅ点运 动速 度 曲线 为余 弦 运动 ，同 时 以上 下 行程 的 中点 为起 点 ， 即令 Ｅ 点在 图中Ｇ点处 时 ，ｔ０ 向上运 动 ，速度ｖ ＝， 为正 。
（ 、 １ ）
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（ ３）
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作 者 简介 ：杨侠 （９ ８ ），男， １７一 博士，副教授 ， 硕士生导
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１ ． ■ 论文广场 ２
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２ 第１ 备 石１ 化 设 ０１ 工 油年 和
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拉杆 ， 由材 料 力 学 可 知 ， 杆件 一般 受 压 不 受 拉 ， 因此 四根 杆 中 ，作 为拉 杆 的ＡＦ 更容 易 损坏 ，对 Ａ Ｆ 杆 进行 受 力 分析 ，是极 其 重要 的 。如 图２ 示 ，对 所 其 杆 件进 行 力 矩 平衡 分 析 ， 由于 Ａ 杆 件 是拉 杆 ， Ｆ 主 要 承 受 弯 矩 作 用 ，因此 分 析 时主 要 考 虑 其 所 受 弯 矩最 大 时刻及其 受弯 矩 的最大 点 ：
１１３加 速 度 分 析 ．．
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（ ４）
并根 据 图中 几何 、角 度 关系 求得 各 角 度 ０ 、
０２ 、 源自文库 ３ ０４ 、 。
１１ 速 度 分析 ．． ２
对 （ ）、 （ ）中各式分 别两 边求 导 ： ３ ４
１ 建立连 杆机构 的数学模型
１１ ． 运动 学 分析
１１１ 置分析 ． 位 ．
｛ ０ｚ—‘曲０ ｆｓｏ ‘ ｉ０ 】 ，ｎ ２２ ０ ２ ｃ ｓ ４ １ｅ ｃ 咄 ｃ ｎ ４ ｏ ｓ ｉ